Турбогенераторы: сила преобразования энергии и будущее энергетики

Классификация и виды паровых турбин

Паровые турбины по характеру теплового процесса делятся на три вида:

конденсационные;
теплофикационные;
теплофикационные с промышленным отбором пара;
противодавленческие.

Конденсационные турбины называются так потому, что работают они с выпуском отработавшего пара в конденсатор. Бывают стационарными и транспортными. Такие турбины являются самыми распространенными. Они имеют маркировку «К».

Конденсаторные паровые турбины используются для выработки электричества. Такие турбины ставят на ГРЭС.

Стационарные паровые турбины используют на электрических станциях, транспортные — в качестве двигателей на морских судах.

Теплофикационные турбины одновременно дают как электрическую, так тепловую энергию. Имеют маркировку «Т». Устанавливаются обычно на ТЭЦ, где помимо выработки электрической энергии они получают тепловую энергию для отопления и горячего водоснабжения. Теплофикационные турбины бывают 3-х видов:

с регулируемым отбором пара;
с противодавлением;
с отбором и противодавлением.

Теплофикационные турбины с отбором пара имеют маркировку «ПТ». В таких турбинах часть пара уходит на поддержание стороннего производства (фабрики, завода). Пар может обратно возвращаться на электростанцию в виде конденсата или полностью теряться.

Теплофикационные турбины летом могут работать в конденсационном режиме.

Турбины с противодавлением имеют маркировку «Р». В таких турбинах отсутствует конденсатор. Отработанный пар используют для варки, сушки и отопления, а также для поддержания другого производства.

На турбинах с противодавлением и отбором часть пара отводится, а отработанный — из выпускного патрубка поступает в отопительную систему или к сетевым подогревателям.

Устройство сопла турбины. На что оно влияет

Одним из важнейших элементов для работы устройства стало сопло, сквозь которое и осуществляется прохождение пара.

В наиболее раннем устройстве паровой турбины, когда еще до конца не были изучены такие вещи, как расширение пара, построить рационально функционирующий агрегат с высоким КПД было проблематично. Причина заключалась в том, что сопло, которое использовалось вначале, имело одинаковый диаметр по всей своей длине. А это влекло за собой то, что пар, проходя через трубу и попадая в пространство с меньшим давлением, чем внутри, терял давление и увеличивал свою скорость, но только до определенного значения. Если говорить о насыщении сухого пара, то его давление на выходе из трубки не может быть меньше, чем 0,58 от начального давления. Данный параметр называют Основываясь на этом значении, можно получить и предельную скорость движения пара, которую называют также критической скоростью, а ее значение для перегретого пара равно 0,546 от начального давления.

Таких параметров оказалось мало для нормального функционирования турбины. К тому же при выходе из сопла такой формы пар начинал клубиться из-за расширения в атмосфере. Все эти недостатки удалось устранить, когда устройство паровой турбины, ее сопла, было изменено. В начале отбора труба была узкой, постепенно расширяясь к концу. Основная отличительная особенность, которая стала решающим фактором, — это то, что с такой формой стало возможно привести давление у конца сопла к давлению окружающей среды после трубы. Это решило проблему с клубами пара, которые сильно снижали скорость, а также удалось добиться сверхкритических значений для этого параметра, а также давления.

Отрывок, характеризующий Турбогенератор

детском стулеСтарый князь

Билибин находился теперь в качестве дипломатического чиновника при главной квартире армии и хоть и на французском языке, с французскими шуточками и оборотами речи, но с исключительно русским бесстрашием перед самоосуждением и самоосмеянием описывал всю кампанию. Билибин писал, что его дипломатическая discretion мучила его, и что он был счастлив, имея в князе Андрее верного корреспондента, которому он мог изливать всю желчь, накопившуюся в нем при виде того, что творится в армии. Письмо это было старое, еще до Прейсиш Эйлауского сражения.
«Depuis nos grands succes d»Austerlitz vous savez, mon cher Prince, писал Билибин, que je ne quitte plus les quartiers generaux. Decidement j»ai pris le gout de la guerre, et bien m»en a pris. Ce que j»ai vu ces trois mois, est incroyable.
«Je commence ab ovo. L»ennemi du genre humain , comme vous savez, s»attaque aux Prussiens. Les Prussiens sont nos fideles allies, qui ne nous ont trompes que trois fois depuis trois ans. Nous prenons fait et cause pour eux. Mais il se trouve que l»ennemi du genre humain ne fait nulle attention a nos beaux discours, et avec sa maniere impolie et sauvage se jette sur les Prussiens sans leur donner le temps de finir la parade commencee, en deux tours de main les rosse a plate couture et va s»installer au palais de Potsdam.

Производители генераторов

Наша компания осуществляет сервис, ремонт, поставку как самого оборудования, так и сопутствующих комплектующих. Сотрудничаем с производителями напрямую. Благодаря этому поставляем гарантийное оригинальное оборудование для турбогенераторов по оптимальной цене прямо с завода производителя. Для услуг связанные с сервисом возможно договориться о выезде специалиста от самого производителя.

Один из ведущих производителей турбогенераторов на сегодняшний день – компания Brush Turbogenerators. Генераторы отличаются высоким качеством и развитой системой управления, которая позволяет осуществлять параллельную синхронную сбалансированную работу нескольких установок между собой и сетью, релейную защиту и интеграцию с системой управления ГТУ.

Так же большой популярностью пользуются генераторы такого производителя, как General Electric типа ELIN. Например турбогенератор ELIN 6FA, больше известный как GE 6F.03

Статья написана при участии господина Андрианова А., начальника электротехнического отдела компании DM Energy .

Охлаждение турбогенераторов

Турбогенераторы с воздушным охлаждением

Изготавливаются такие агрегаты нагрузкой в 2,5; 4; 6; 12 и 20 МВт. Конструкция таких устройств осуществляется закрытым типом. Самовентиляция обеспечивается по закрытому циклу. Вращение воздуха в турбогенераторе происходит благодаря вентиляторам, которые закрепляются с обеих сторон внутри ротора.

Для того, чтобы избежать проникновения пыли вовнутрь, на валу имеются специальные воздушные уплотнители. А утечка воздуха компенсируется благодаря его засосу из внешней среды.

Устройства с водородным охлаждением

Это устройства, мощность которых составляет 60 и 100 Мегаватт.

Охлаждение турбогенератора, а именно роторных обмоток, исполняется напрямую водородом. Статор охлаждается косвенно и обдает сварную оболочку, которая газонепроницаема и неразъемная.

Агрегаты, охлаждаемые водой

Обмотки ротора и статора устройств такого типа охлаждаются при помощи непосредственной подачи воды. Сталь сердечника статора отстужается при помощи специально предназначенных охладителей, изготовленных из силумина. Воздух, который заполняет сам генератор, охлаждается водой.

Объединенное охлаждение

Такие устройства с водородно-водяным охлаждением бывают мощностью 160 – 1200 Мегаватт. А количество оборотов в минуту составляет 3000. Такие агрегаты имеют прямое охлаждение обмотки статора при помощи дистиллированной воды, а ротора – водородом. Наружная их поверхность охлаждается при помощи только лишь водорода.

Корпус таких агрегатов изготавливается цельным, сварным, газонепроницаемым, неразъемным, а также, его внутренняя поверхность обладает дополнительными поперечными кольцами жесткости, которая способствует закреплению сердечника. С двух сторон статор закрывается наружными пластинами.

Это касается таких агрегатов, нагрузка которых составляет 160 – 220 МВт. Если же мощность турбогенератора составляет 300 – 800 Мегаватт, то каркас таких устройств выполняется разъемным из трех секций. Заполняется он водородом, который потом обращается с помощью двух осевых вентиляторов, закрепленных на самом роторе. Остужается он в газоохладители турбогенератора.

Возбуждающий режим

В виде основного такого метода служит бесщеточная система. Возбудитель закрытого типа обладает изолированной вентиляцией. Для турбогенераторов, производительность которых составляет 160 – 800 Мегаватт, используется тиристорная система, с самостоятельной активизацией. Сам возбудитель представляет собой синхронный трехфазный генератор переменного тока.

При помощи термопреобразователей осуществляется проверка теплового режима главных узлов, а также охлаждающей системы. Подсоединяются они к установке центрального управления.

Благодаря специальной аппаратуре можно осуществлять контроль давления, расход охлаждающей воды, дистиллята, следить за давлением масла и т.п. С ее помощью происходит непрерывное отслеживание всех изменений заданных параметров от нормы.

На данных агрегатах устанавливают и специальные системы защиты. Такая характеристика турбогенератора сообщает о снижении уровня воды, расходуемой в газоохладителе.

Активная работа

Каково устройство паровой турбины, работающей на таком принципе. Здесь за основу взят закон о том, что любое тело, обладающее даже малой скоростью, может иметь высокую кинетическую энергию, если движется с большой скоростью. Однако здесь сразу же надо учитывать, что эта энергия очень быстро пропадает, если скорость тела начнет падать. В таком случае, имеется два варианта развития событий, если струя пара ударится о плоскую поверхность, которая будет перпендикулярна ее движению.

Первый вариант — удар происходит о неподвижную поверхность. В таком случае вся кинетическая энергия, которой обладало тело, частично превратится в тепловую энергию, а остальная часть израсходуется на то, чтобы отбросить частицы жидкости в обратном направлении, а также назад. Естественно, что никакой полезной работы выполнено при этом не будет.

Второй вариант — поверхность может перемещаться. В таком случае некоторая часть энергии уйдет на то, чтобы сдвинуть платформу с места, а остальная все так же будет затрачена впустую.

В устройстве паровой турбины и принципе действия, который называется активным, используется именно второй вариант. Естественно, нужно понимать, что при работе агрегата необходимо добиться того, чтобы расход энергии на бесполезную работу был минимальным

Еще одно важное условие заключается в том, что необходимо направить струю пара таким образом, чтобы она не повреждала лопатки при ударе. Достичь выполнения этого условия можно лишь при определенной форме поверхности

Путем испытаний и расчетов было установлено, что наилучшей поверхностью для работы со струями пара является та, которая сможет обеспечить плавный поворот, после которого движение рабочего вещества будет перенаправлено в противоположную сторону от изначальной. Другими словами, необходимо придать лопаткам форму полукруга. В таком случае, сталкиваясь с препятствием, максимальная часть кинетической энергии будет передаваться механическом устройству, заставляя его вращаться. Потери же сведутся к минимуму.

1.2. Конструкция обмотки ротора

Обмотка
возбуждения двухполюсного турбогенератора состоит со ответственно из двух групп
катушек, укладываемых в пазы ротора. Катушки, принадлежащие одной группе,
располагаются концентрически на одном полюсном делении ротора относительно его
большого зуба (рис. 4). Таким образом, обмотка возбуждения турбогенератора
является распределенной, благодаря чему достигается близкая к синусоидальной
форма МДС ротора. Число катушек в группе может составлять 7-10, а число витков
в катушке 5-28. Рассмат- риваемые далее особенности конструкции обмоток возбуждения
во многом определяются используемой системой охлаждения.

Паровая турбина с конденсатом

Конденсационные устройства и паровые турбины Лосев С. М. описывал в своей книге, выпущенной в 1964 году. Издание содержало теорию, конструкцию и эксплуатацию паровых установок, а также конденсационных агрегатов.

Турбинная установка, которая находится в котле, имеет три среды — вода, пар и конденсат. Эти три вещества образуют между собой некий замкнутый цикл

Тут важно отметить, что в такой среде во время преобразования теряется достаточно малое количество пара и жидкости. Чтобы компенсировать небольшие потери, в установку добавляют сырую воду, которая перед этим проходит водоочистительное устройство

В этом агрегате жидкость подвергается воздействию различных химикатов, основное предназначение которых в удалении ненужных примесей из воды.

Принцип работы в таких установках следующий:

Пар, который уже отработал и обладает пониженным давлением и температурой, попадает из турбины в конденсатор.
При прохождении этого участка пути имеется большое количество трубок, по которым непрерывно качается охлаждающая вода при помощи насоса. Чаще всего эта жидкость берется из рек, озер или прудов.
В момент соприкосновения с холодной поверхностью трубки отработавший пар начинает образовывать конденсат, так как его температура все еще выше, чем в трубах.
Весь скопившийся конденсат постоянно поступает в конденсатор, откуда он непрерывно откачивается насосом. После этого жидкость передается в деаэратор.
Из этого элемента вода снова поступает в паровой котел, где превращается в пар, и процесс начинается сначала.

Кроме основных элементов и простого принципа работы, имеется пара дополнительных агрегатов, таких как турбонаддув и подогреватель.

Посредством вращающегося магнитного поля ротора в статоре . Поле ротора, которое создается либо установленными на ротор постоянными магнитами, либо током постоянного напряжения, протекающего в медной обмотке ротора, приводит к возникновению трёхфазного переменного напряжения и тока в обмотках статора. Напряжение и ток на статоре тем больше, чем сильнее поле ротора, т.е. больше ток протекающий в обмотках ротора. У синхронных турбогенераторов с внешним возбуждением напряжение и ток в обмотках ротора создает тиристорная система возбуждения или возбудитель — небольшой генератор на валу турбогенератора.
Турбогенераторы имеют цилиндрический ротор установленный на двух подшипниках скольжения , в упрощенном виде напоминает увеличенный генератор легкового автомобиля. Выпускаются 2-х полюсные (3000 об/мин), 4-х полюсные (1500 об/мин как на Балаковской АЭС), и многополюсные машины, в зависимости от мест эксплуатации и требований Заказчика. По способам охлаждения обмоток турбогенератора различают: с жидкостным охлаждением через рубашку статора; с жидкостным непосредственным охлаждением обмоток; с воздушным охлаждением; с водородным охлаждением (чаще применяются на АЭС).

Эксплуатация турбогенераторов

Самой большой проблемой при работе устройств с водородным охлаждением является борьба с утечкой воды. Перед вводом в эксплуатацию таких машин или после их капитального ремонта в обязательном порядке должна быть осуществлена проверка генератора, а также самой системы водородного охлаждения на ее газовую плотность.

Расход водорода в сутки не должен превышать более 10 процентов от общего его количества в данном агрегате. А стоячая его утечка – не превышать 5%. Также, следует помнить и знать, что при увеличении температуры уплотняющего масла растет и количество водорода, растворяемого в нем. Это может привести к утечке водорода.

Вибрационное состояние турбогенератора
является одним из основных параметров, который отвечает за безопасность и надежность во время эксплуатации. Она может быть вызвана в ряду механических причин, обусловленных неуравновешенностью вращающихся узлов турбогенератора, нарушением конструкции подшипников, несимметричностью воздушных зазоров, замыканием витков в обмотках роторе, нарушением изоляции обмоток и т.п.

Допускается длительная работа турбогенератора при несимметричной мощности, когда обратный ток не больше восьми процентов от номинальной величины тока самого статора. При этом токи в фазах обязаны быть больше номинальных величин.

Продолжительная эксплуатация турбогенераторов
обеспечивается и в том случае, если в этом случае они включаются при помощи метода «точной синхронизации».

При аварийном режиме устройство включать можно, но ток статора обязан быть не больше тройного номинального значения. Допустимая температура охлаждающего водорода составляет 40°С. Снижать ее менее 20 градусов нельзя. Если его температура растет, то следует снизить номинальную нагрузку генератора. Все значения уменьшения мощности имеются в инструкции по работе таких устройств.

Возможна работа данного устройства и при входном напряжении, не превышающего 110 процентов от номинального значения.

Для нормальной и бесперебойной работы турбогенератора, температура охлаждающей жидкости, находящейся в газоохладителе, должна быть 33 градуса. Минимальное ее значение составляет 15°С.

Конструкция

Основные конструктивные элементы турбогенератора – это ротор и статор.

Ротор турбогенератора

Чтобы сформировалась высокая прочность, ротор турбогенератора выпускают в виде толстого цилиндра из сплошной стальной заготовки. В таком случае используют углеродистую сталь, как правило, марки «35» (в случаи малой нагрузки данного агрегата).

Ротор турбогенератора (рис.3) оснащен двумя рядами отверстий, расположенных вдоль первых обмоточных отверстий. Необходимо это, чтобы закрепить там специальные балансировочные грузы. Длина ротора турбогенератора существенно меньше его активных размеров.

Рисунок 3 – Общий вид ротора

1 – контактные кольца;
2 – кольцевые бандажи;
3 – бочка ротора;
4 – вентилятор;
5 – вал

При частоте вращения порядка 3000 оборотов в минуту, ротор изготавливают диаметром в 1,2 метра. Обмотку делают из специальной полосовой меди с дополнительной присадкой серебра. Она удерживается в пазах благодаря дюралевым клиньям.

Для того, чтобы повысить тепловую стойкость ротора от воздействия на него обратных токов, сверху изоляции обмотки укладываются короткозамкнутые кольца, которые изготавливают в виде двухслойного медного гребенка.

Для повышения единичной мощности охлаждение турбогенератора делают более интенсивным, без существенного увеличения габаритов. Если нагрузка таких устройств превышает 50 Вт, то используют жидкое либо водородное охлаждение его обмоток.

Статор турбогенератора

Статор (рис.4) изготавливается из корпуса, в котором имеется сердечник с углублениями для установки в них обмотки. В основу сердечника входят слои, которые набираются из нескольких листов стали (электротехнической), дополнительно имеющих лаковое покрытие. Между этими слоями имеются специальные каналы для вентиляции (порядка 5 – 10 сантиметров).

В месте, где находятся углубления, обмотка закрепляется при помощи клиньев, а ее передняя часть укреплена на специальных кольцах. Располагается она с конца статора. Сам сердечник помещен в прочный сварной корпус, изготовленный из стали.

Рисунок 4 – Общий вид статора

Возбуждающий режим (система возбуждения)

История

Один из основателей компании «ABB » Чарльз Браун построил первый турбогенератор в 1901 году . Это был 6-ти полюсный генератор мощностью 100 кВА .

Появление во второй половине XIX века мощных паровых турбин привело к тому, что потребовались высокоскоростные турбогенераторы. Первое поколение этих машин имело стационарную магнитную систему и вращающуюся обмотку. Но данная конструкция имеет целый ряд ограничений, одно из них — небольшая мощность. Кроме этого, ротор явнополюсного генератора не способен выдерживать большие центробежные усилия.

Основным вкладом Чарльза Брауна в создание турбогенератора было изобретение ротора, в котором его обмотка (обмотка возбуждения) укладывается в пазы, которые получаются в результате механической обработки поковки. Вторым вкладом Чарльза Брауна в создание турбогенератора была разработка в 1898 году ламинированного цилиндрического ротора. И, в конечном итоге, в 1901 году он построил первый турбогенератор. Данная конструкция используется в производстве турбогенераторов по сей день.

Примечания

Wikimedia Foundation
.
2010
.

Синонимы

Турбаза «Волчья»
Турболет

Смотреть что такое «Турбогенератор» в других словарях:

турбогенератор
— турбогенератор … Орфографический словарь-справочник

ТУРБОГЕНЕРАТОР
— синхронный генератор трехфазного тока с приводом от паровой или газовой турбины, частота вращения 1500 или 3000 об/мин. Мощность до 1200 МВт … Большой Энциклопедический словарь

ТУРБОГЕНЕРАТОР
— ТУРБОГЕНЕРАТОР, турбогенератора, муж. (см. турбина и генератор) (тех.). Агрегат из электрического генератора и турбины, установленной с ним на одном валу. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

ТУРБОГЕНЕРАТОР
— ТУРБОГЕНЕРАТОР, а, муж. Электрический генератор, приводимый в действие паровой или газовой турбиной. | прил. турбогенераторный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

турбогенератор
— сущ., кол во синонимов: 7 газотурбогенератор (1) гидротурбогенератор (2) … Словарь синонимов

Турбогенератор
— ТГ Turbogenerator генератор электрического тока с приводом от газовой или паровой турбины. Термины атомной энергетики. Концерн Росэнергоатом, 2010 … Термины атомной энергетики

турбогенератор
— Синхронный генератор, приводимый во вращение от паровой или газовой турбины. Тематики машины электрические вращающиеся в целом … Справочник технического переводчика

И паровой или газовой турбины, выполняющей роль привода. Термин «турбогенератор» намеренно включён в название ГОСТ 533, чтобы отличать данные типы генераторов от генераторов вертикального исполнения, используемых в паре с гидротурбинами ГОСТ 5616 (использование терминов «турбогенератор» и «гидрогенератор» для описания отдельно взятых электрических генераторов является неправильным). В случае электростанций применяется термин турбоагрегат .

Основная функция в преобразовании внутренней энергии рабочего тела в электрическую, посредством вращения паровой или газовой турбины . Скорость вращения ротора определяется по параметрам используемого генератора, от десятков тысяч оборотов в минуту (для синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов «НПК «Энергодвижение») до 3000, 1500 об/мин (у синхронных генераторов с возбуждением обмоток ротора). Механическая энергия от турбины преобразуется в электрическую посредством вращающегося магнитного поля ротора в статоре . Поле ротора, которое создается либо установленными на ротор постоянными магнитами, либо током постоянного напряжения, протекающего в медной обмотке ротора, приводит к возникновению трёхфазного переменного напряжения и тока в обмотках статора. Напряжение и ток на статоре тем больше, чем сильнее поле ротора, т.е. больше ток протекающий в обмотках ротора. У синхронных генераторов с внешним возбуждением напряжение и ток в обмотках ротора создает тиристорная система возбуждения или возбудитель — небольшой генератор на валу основного генератора.
В составе турбогенераторов применяются генераторы, имеющие цилиндрический ротор, установленный на двух подшипниках скольжения , в упрощенном виде напоминает увеличенный генератор легкового автомобиля. Выпускаются 2-х полюсные (3000 об/мин), 4-х полюсные (1500 об/мин как на Балаковской АЭС), и многополюсные машины, в зависимости от мест эксплуатации и технологических требований. Для охлаждения таких генераторов используются следующие способы охлаждения обмоток: жидкостное — через рубашку статора; жидкостное — с непосредственным охлаждением обмоток; воздушное; водородное (чаще применяются на АЭС).